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增强现实是虚拟现实领域的一个前沿研究分支。增强现实通过三维图形技术和视觉跟踪技术,将虚拟物体与现实景象相结合,使得三维虚拟图形与现实的周遭环境从视觉上完美地融合在一起,来达到增强现实环境的效果,人们可以通过增强现实来与虚拟物体产生互动。由于增强现实系统具有虚实结合与实时交互的特点,在医疗研究、教育培训、工业设计、国防建设、市政规划、文物保护、文化娱乐等许多领域具有十分广泛的应用前景。另一方面,随着技术的不断进步,个人计算机有体积越来越小而功能越来越强的发展趋势,手机和PDA等手持设备作为提供个人计算能力的一种移动平台,可以与增强现实密切结合,带来新的数字媒体技术与应用,因此本课题具有重要的研究意义和价值。本文研究和实现了在带摄像头的手持设备上实现增强现实系统的技术,可将三维的图形实时地叠加到手机相机所捕捉到的图像之上。论文主要论及以下几方面工作:(1)增强现实跟踪标志物的研究与设计:通过手机上的摄像头可以获得物理环境中的视频,但如何进一步建立物理环境中指定物体与指定虚拟内容的映射关系是一个关键问题。作者研究与分析了PC平台和手机平台上的相关工作,引入了一种可视标志码到基于手机的增强现实系统中,用作增强现实的跟踪标志物,建立起手机计算环境与物理环境之间的一种虚实信息联系通道,可以支持2D-2D的增强现实应用,并提出一种新型的彩色可视标志码,进一步提高了跟踪标志物的编码容量,支持手机与物理环境之间交换更多数字信息。(2)手机上增强现实的跟踪算法研究:为代替传统增强现实系统中的非编码性的跟踪标志物,建立虚拟内容与物理环境的三维空间融合效果,作者基于本文提出的彩色可视标志码,进一步设计与实现了三维增强现实算法,包括标志码搜索、标志码匹配识别、标志码跟踪等步骤,通过与传统增强现实系统中所采用的标志物相比,本文算法提高了搜索效率、匹配识别准确性和跟踪稳定性,更适合于手持计算平台上图像分辨率和计算能力相对较低的情况。(3)手机上三维图形的绘制与增强现实合成:研究了在手机上的多种不同三维图形显示接口,并根据手机增强现实的实时需要,采用合适的手机三维图形平台,结合所设计实现的三维增强现实算法,实现了三维图形与物理环境的增强现实合成。(4)手机上的增强现实的实验与应用设计:基于本文所提出的增强现实算法,对跟踪速度、准确率、编码容量等指标进行实验,并对实验结果进行分析评估。进一步研究设计了相应的增强现实应用。论文组织结构如下:第一章主要阐述了课题研究背景与意义;第二章介绍增强现实基本原理;第三章提出了本文设计的彩色标志码;第四章主要描述本文提出的增强现实跟踪算法,第五章研究分析了手机三维图形平台,并介绍本文的实现;第六章分析了算法的实验结果并进行评估与讨论,并阐述了相应的增强现实应用,第八章作了总结与展望。